2. 水 泥

1. 2. 水 泥 • 水泥的特点 • 水泥是一种粉末状材料，加水后拌合均匀形成的浆体，不仅能够在干燥环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或发展其强度，形成一种坚硬的石状体。 • 水泥适用范围 • 不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位。

2. 水泥的分类 按性能和用途分 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 通用水泥 火山灰质硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 水 泥 专用水泥 如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等 特性水泥 如铝酸盐水泥、膨胀水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等

3. 一、硅酸盐水泥生产工艺 • 硅酸盐水泥的原材料 • 生产硅酸盐水泥熟料的原材料 • 石灰质原料 天然石灰石。也可采用白垩、石灰质凝灰岩等。主要提供CaO. • 粘土质原料 主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3和少量Fe2O3。 • 铁矿粉 采用黄铁矿渣，化学成分为Fe2O3。

4. 石膏 主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等 。 • 混合材料 包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。 硅酸盐水泥分为： Ⅰ型硅酸盐水泥（不掺混合材料）代号为P·Ⅰ和Ⅱ型硅酸盐水泥（掺不超过5%的粒化高炉矿渣或石灰石）,代号为P·Ⅱ。 生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种.

5. 硅酸盐水泥生产流程示意图 石灰质原料 石膏 CaO SiO2 （CaO） 磨细 按比例混合 煅烧 生料 熟料 硅酸盐水泥 粘土质原料 磨细 Al2O3 Fe2O3 （SiO2、Al2O3、 Fe2O3 ） 校正原料 （Fe2O3） 石灰石或粒 化高炉矿渣 由上图，硅酸盐水泥生产工艺可以概括为：“两磨一烧”

6. 二、熟料的矿物组成及其特性 • 熟料的矿物组成 硅酸三钙 3CaO•SiO2，C3S 硅酸二钙 2CaO•SiO2，C2S 水泥熟料矿物 铝酸三钙 3CaO•Al2O3，C3A 铁铝酸四钙 4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AF

7. 水泥熟料主要矿物组成的性质 • C3S是主要成分，含量50%左右，水化速度快，水化热高，它对促进水泥的凝结硬化、以及水泥3-7天的早期强度和后期强度起主要作用。 • C2S含量15—37%，水化速度慢，水化热低，早期强度低，后期强度高，耐化学侵蚀性和干缩性较好。它不影响水泥的凝结，对水泥的后期强度起主要作用。

8. C3A含量在15%以下，水化速度最快，水化热最高，耐化学侵蚀性差，干缩性大。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低。C3A含量在15%以下，水化速度最快，水化热最高，耐化学侵蚀性差，干缩性大。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低。 • C4AF含量10—18%，水化速度较快，水化热较低，强度较低，但对于抗折强度起重要作用，耐化学侵蚀性好，干缩性小。

9. 水泥熟料主要矿物组成的性质比较

10. 现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异？现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异？ 由甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展速度、水化热均高于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥．但耐腐蚀性则低于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥。

11. 矿物组成对水泥性能的影响 以上是单个矿物组成的性能，水泥是几种熟料矿物的混合物，改变熟料矿物成分间的比例，水泥的性质即发生相应的变化。例如提高硅酸三钙的含量，可以制得高强水泥；又如降低铝酸三钙和硅酸三钙含量，提高硅酸二钙含量，可制得水化热低的水泥，如大坝用水泥；提高铁铝酸四钙含量，可获得抗折强度较高的水泥，如道路水泥。

12. 三、水泥的凝结和硬化 • 凝结硬化的概念 • 凝结：水泥加水拌合而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失去流动性和可塑性而未具有强度的过程； • 硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。

13. 1.硅酸盐水泥的水化 硅酸三钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙 硅酸二钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙 铝酸三钙 水 水化铝酸钙 铁铝酸四钙 水 水化铝酸钙 水化铁酸钙

15. 水泥加水拌合后的剧烈水化反应，一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性，表现为水泥的初凝。

16. 由于铝酸三钙水化极快，会使水泥很快凝结，为使工程使用时有足够的操作时间，水泥中加入了适量的石膏。水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面，从而阻碍了铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初凝时间得以延缓。

17. 当掺入水泥的石膏消耗殆尽时，水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破，铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行，水泥颗粒间逐渐相互靠近，直至连接形成骨架。水泥浆的塑性逐渐消失，直到终凝。

18. 随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。

19. A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化铁酸钙凝胶）；A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化铁酸钙凝胶）； B——晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）； C——孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）； D——未水化的水泥颗粒 • 水泥石的结构 • 水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。 • 水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大。

20. 2.影响水泥凝结硬化的主要因素 （１）孰料矿物组成 不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的，如C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高；C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期强度增长迅速等。因此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产生明显变化。 （２）水泥的细度 在矿物组成相同的条件下，水泥的细度越细，则水化越快越完全。凝结硬化快，水化产物较多，强度高。

21. （3）石膏掺量 石膏起缓凝作用：阻碍铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。 （4）环境温度和湿度 环境温度高，水泥水化快，温度低，则水化反应减慢，强度增长变缓，当降到零度以下，水泥的水化反应停止。水的存在是水泥水化的必备条件，只有在潮湿环境中，水泥才能正常地凝结硬化。因此，在施工过程中，应十分注意保温保湿养护。

22. （5）时间（龄期） 水泥的强度随龄期增长而逐渐增长。硅酸盐水泥加水后3-7天内强度增长较快，约28天后显著放慢，保持适当的温度和湿度，水泥强度随龄期的增长而继续提高。 （6）加水量 加水量多，使得水泥的初期水化反应得以充分进行，但凝结时间变长，多余的水分蒸发后形成的孔隙较多，强度下降，干燥时收缩。若加水量太小，无法满足施工成型工艺要求。掺入减水剂可提高水泥强度。

23. （7）外加剂的影响 选择适当外加剂，如减水剂、早强剂、引气剂、膨胀剂等，可改善水泥的性能。

24. 例1.试说明生产硅酸盐水泥时为什么必须掺入适量石膏？例1.试说明生产硅酸盐水泥时为什么必须掺入适量石膏？ • 水泥熟料中的铝酸三钙遇水后，水化反应的速度最快，会使水泥发生瞬凝或急凝。为了延长凝结时间，方便施工，必须掺入适量石膏。 • 在有石膏存在的条件下，水泥水化时，石膏能很快与水化铝酸钙作用生成钙矾石，钙矾石很难溶解于水，它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，从而阻碍了铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。 • 当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石，体积增大约1.5倍，也导致水泥石开裂。

25. 例2.影响硅酸盐水泥水化热的因素有那些？水化热的大小对水泥的应用有何影响？例2.影响硅酸盐水泥水化热的因素有那些？水化热的大小对水泥的应用有何影响？ 影响硅酸盐水泥水化热的因素主要有硅酸三钙Ｃ3S、铝酸三钙C3Ａ的含量及水泥的细度。硅酸三钙Ｃ3S、铝酸三钙C3Ａ的含量越高，水泥的水化热越高；水泥的细度越细，水化放热速度越快。 水化热大的水泥不得在大体积混凝土工程中使用。在大体积混凝土工程中由于水化热积聚在内部不易散发而使混凝土的内部温度急剧升高，混凝土内外温差过大，以致造成明显的温度应力，使混凝土产生裂缝。严重降低混凝土的强度和其它性能。但水化热对冬季施工的混凝土工程较为有利，能加快早期强度增长，使抵御初期受冻的能力提高。

26. 四、硅酸盐水泥的技术性质和技术标准 化学性质 1.技术性质 物理性质

27. 物理性质 1.细度 • 细度是指水泥颗粒的粗细程度。 • 一般，水泥颗粒越细，其总表面积越大，与水反应时接触的面积也越大，水化反应速度就越快，所以相同矿物组成的水泥，细度越大，凝结硬化速度越快，早期强度越高。但水泥颗粒太细，在空气中的硬化收缩也较大，使混凝土发生裂缝的可能性增加。 • 为充分发挥水泥熟料的活性，改善水泥性能，同时考虑能耗的节约，要合理控制水泥细度。

28. 标准规定： • 硅酸盐水泥的细度为：其比表面积大于300m2/kg。 • 普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥在80μm方孔筛筛余量百分率不得超过10.0%

29. 2.水泥净浆标准稠度 • 为使水泥的凝结时间和体积安定性的测定结果具有可比性，必须用标准稠度的水泥净浆。 • 国家标准规定，以标准试杆沉入净浆并距底板6mm  1mm（标准法）或以水泥净浆稠度仪的试锥沉入深度为28mm  2mm（代用法）时的净浆为“标准稠度”，此时所需的拌合用水量为该水泥标准稠度用水量。

30. 水泥的标准稠度用水量受水泥的细度、水泥矿物组成等因素影响，水泥越细，标准稠度用水量越大。矿物组成中，C3A需水量最大，C3S最小。

31. 水泥净浆搅拌机　　水泥标准稠度及凝结时间测定仪水泥净浆搅拌机　　水泥标准稠度及凝结时间测定仪

32. 3.凝结时间 • 凝结时间：分为初凝时间和终凝时间。 • 初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间； 终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性的时间。 • 水泥的凝结时间是在规定温度及湿度环境下用水泥净浆凝结时间测定仪以试针沉入标准稠度的水泥净浆至一定深度所需的时间表示。 • 初凝时间 试针沉入距底板：4mm±1mm • 终凝时间 试针沉入试样：0.5mm

33. 国家标准GB175－2007规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6.5h；普通硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于10h。国家标准GB175－2007规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6.5h；普通硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于10h。 水泥混凝土的拌和、运输、浇灌、振捣等一系列工艺均要在水泥的初凝之前完成，故水泥初凝不能过早。混凝土成型后，为了不拖延工期，要求尽快硬化，产生结构强度，以利下一工序尽早进行，所以终凝时间不能太迟。

34. 4.体积安定性 • 体积安定性是指水泥浆凝结硬化后体积变化的均匀程度。水泥在硬化过程中体积变化不均匀，即为体积安定性不良。 • 水泥安定性不良的原因： • 熟料中含有过量的游离氧化钙（f－CaO），或含有过量的游离氧化镁（f－MgO）； • 生产水泥时掺入的石膏过量； • 水泥中三氧化硫含量超标。 • 体积安定性不良的水泥是废品，严禁用于工程中。

35. 国家标准规定，硅酸盐水泥的安定性测定 当用雷氏法检验时，标准稠度水泥净浆试件沸煮至规定时间后膨胀值不超过5mm为体积安定性合格；当用试饼煮沸法检验时，标准稠度净浆试饼沸煮至规定时间后，经肉眼观察未发现裂纹，用直尺检查试饼底面没有弯曲安定性合格，反之为不合格。当用两种方法检验结果相矛盾时，以雷氏夹法结论为准。

36. 雷氏夹

37. 水泥沸煮箱

38. 国家标准规定，水泥熟料中游离氧化镁含量不得超过5.0%。水泥中三氧化硫含量不得超过3.5%，以控制水泥的体积安定性。 • 问：某水泥经检测表明安定性不合格，该水泥存放一段时间再进行检测时，安定性合格了，试解释这一现象？ 这样的水泥在重新检验并确认体积安定性合格后也必须重新标定水泥的标号，按标定的标号值使用。

39. 5.强度及强度等级 • 强度是确定水泥强度等级的指标，也是选用水泥的主要依据。强度高、承受荷载的能力强，水泥的胶结能力也大。 • 根据我国现行标准《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》，以水泥3d、28d的抗折强度和抗压强度划分硅酸盐水泥的强度等级。

40. 水泥胶砂强度试验方法： 将水泥：ISO标准砂：水按1：3：0.5混合后，经标准试验方法搅拌成型，制成40mm×40mm×160mm的标准试件，在标准条件（1d温度为20±1℃，相对湿度90％以上的空气中带模养护；1d以后拆模，放入20±1℃的水中养护）下养护，测定3d、28d的抗折、抗压强度，且强度值不得低于规范规定的强度指标。

41. 硅酸盐水泥 强度等级划分为42.5，42.5R，52.5， 52.5R，62.5，62.5R共六个等级。 各等级硅酸盐水泥在不同龄期的强度指标见表2-10 两种型号：普通型和早强型(也称R型)。 早强型水泥早期强度发展较快，3d强度可达到28d强度的50％，可用于早期强度要求高的工程中，有利于缩短水泥的养护时间。 影响硅酸盐水泥强度的主要因素是熟料中的矿物成分和细度，石膏的掺量、龄期、环境温度和湿度、加水量、试验条件（搅拌时间，振捣程度等）及试验方法等均对其强度有影响。

42. 计算水泥试样的抗折强度时， 以３个试件的强度平均值作为测定结果（精确至0.1MPa）。当3个试件的强度值中有超过平均值±１０％时，应删除后再取平均值作为抗折强度的测定结果。 计算水泥试样的抗压强度时，以６个半截试件的平均值作为测定结果（精确至0.1MPa）。如６个测定值中有１个超出平均值的±10％，应删除，以其余５个测定值的平均值作为测定结果。如果５个测定值中仍有再超过它们平均值±１０％的数据，则该试验结果作废。

43. 例：建筑材料试验室对一普通硅酸盐水泥试样进行了检测，试验结果如下表，试确定其强度等级。例：建筑材料试验室对一普通硅酸盐水泥试样进行了检测，试验结果如下表，试确定其强度等级。

44. 2.技术标准 标准规定： • 废品水泥：氧化镁、三氧化硫含量、初凝时间、体积安定性中的任一项不符合标准规定； • 不合格品水泥：初、终凝时间、不溶物、烧失量、氯离子和混合材料掺加量中的任一项不符合规定，或强度低于商品强度规定的指标； • 水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属于不合格品。

45. 问：硅酸盐水泥的技术性质是其具体应用的依据，请判断下列有关硅酸盐水泥性质的表述是否正确：问：硅酸盐水泥的技术性质是其具体应用的依据，请判断下列有关硅酸盐水泥性质的表述是否正确： （1）水泥的终凝时间是指从加水拌和到水泥浆达到其强度指标所需的时间。 （2）体积安定性是指水泥在硬化过程中体积不收缩的特性。 （3）水泥的净浆强度是评定水泥强度等级的依据。 （4）某硅酸盐水泥的初凝时间是40min，则该水泥应报废。 （5）水泥中的碱含量越多越好。

46. 五、硅酸盐水泥石的腐蚀和防止 硅酸盐水泥硬化后形成的水泥石，在正常环境下强度不断增长。但在某些腐蚀性液体或气体的长期作用下，水泥石就会受到不同程度的腐蚀，严重时会使水泥石强度明显降低，甚至完全破坏。这种现象称为水泥石的腐蚀。

47. 1.水泥石的腐蚀类型及原因 2.防止水泥石腐蚀的措施

48. 淡水侵蚀 硫酸盐侵蚀 镁盐侵蚀 碳酸盐侵蚀

49. （１）淡水侵蚀 又称溶析性侵蚀，是指硬化后混凝土中的水泥水化产物被淡水溶解而带走，从而造成混凝土孔隙率增大、强度降低的一种侵蚀现象。 水泥石中的氢氧化钙不断被溶出，当水泥石中游离的氢氧化钙减少到一定程度时，水化硅酸钙、水化铝酸钙也可能分解和溶出，从而导致水泥石结构的强度降低，甚至破坏。在静水或无水压的情况下，由于周围的水会被Ca(OH)2所饱和，使溶出作用停止，因此，溶出仅限于表层，对整体水泥石影响不大。当水泥石处于流动水环境中时，被侵蚀的速度加快。

50. （2）硫酸盐的腐蚀 含有硫酸盐类物质的水，能与氢氧化钙起置换作用，生成硫酸钙，它能进一步与水泥石中的固态水化铝酸钙作用，生成高硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）而比原来的体积增加1.5倍以上。由于是在已经硬化的水泥石中进行，因此对水泥石起着极大的破坏作用。